高效螺旋槳的案例
案例分享 | 利用MSC Cradle進行考慮邊界層轉捩現象的船用螺旋槳性能預測
., ERCOFTAC Special Interest Group on Laminar to Turbulent Transition and Retransition, 1990
螺旋槳翼面流動
螺旋槳敞水性能仿真結果
小結
利用MSC Cradle中考慮邊界層湍流轉捩的湍流模型，實現了對船用螺旋槳敞水性能的高精度預測。在高效螺旋槳的設計開發階段，準確地預測/探討其性能成為可能。
特別關注｜這些常規船舶水動力節能技術，誰更勝一籌？
相比于圖譜螺旋槳，高效螺旋槳在外形上有明顯差別，且在性能上具有效率高(平均達到2%以上)、空泡及脈動壓力性能優等優勢。
圖2 高效螺旋槳的新設計理念
目前，中國船舶科學研究中心所開發的高效螺旋槳已達到國際先進水平，具有以下特點：
最佳直徑：提高效率；
大側斜：激振力低；
新剖面：提高效率、改善空泡；
變螺距：提高效率、改善空泡；;
葉梢特殊縱斜：抑制葉梢繞流；
適伴流：與船體艉部最佳匹配；
效率-振動-空泡等的綜合權衡。
圖3 MAU螺旋槳與高效螺旋槳對比(左:MAU槳；右:高效槳)
3
水動力節能裝置
依據動量定理，螺旋槳吸收主機功率后使進入螺旋槳的水流加速，從而獲得推動船體前進的推力。亦即，螺旋槳緊后方的尾流速度，包括軸向速度和周向旋轉速度，要比螺旋槳前方的水流速度高，但在離開螺旋槳后被加速的水流所具有的能量又被耗散了。
展開 效率提高15%～這家公司推出新型高效螺旋槳
據悉，美國Sharrow Engineering的螺旋槳新型設計近日獲得美國、日本、加拿大和歐盟專利，并且正在進一步申請國內外專利。此外，其核心螺旋槳產品已經完成了最后階段試驗。
在過去六年，Sharrow Engineering已經分析了密歇根大學海洋流體力學實驗室收集的廣泛試驗數據，并利用湖泊、江河和海灣中運行的載人船舶進行了嚴格的水中試驗程序試驗。該綜合研究程序結果顯示，Sharrow Engineering的螺旋槳效率較之行業標準Wageningen B系列螺旋槳的效率高9-15%。行業專家在傳統上評價螺旋槳效率增加1%為有意義。Sharrow Engineering生產的螺旋槳可以滿足標準螺旋槳可比價格點要求。
已經確定國際海事組織限制航運燃油硫含量水平的規則將于2020年1月1日生效。這個新規則將將航運燃料的允許硫含量從3.50% m/m (mass by mass)降至0.50% m/m。在諸如波羅的海海域、北海和北美絕大部分海域等排放控制區已經實施了更加嚴格的硫含量0.10% m/m限制。基于新的規則計算，預計燃料成本將增加高達25%或全球240億美元。
Sharrow Engineering的螺旋槳將提供一個更寬的效率曲線，并在加速的同時減少17%扭矩。Sharrow Engineering的螺旋槳已經獲得16個獨一無二的美國和國際專利申請，并已向美國專利局和外國申請保護知識產權。這些專利是美國、日本、加拿大和歐盟授予的，其余的專利申請目前還未確定。
Sharrow Engineering的螺旋槳可以在沒有任何工程挑戰的情況下，采用全傳統螺旋槳合金和材料生產，可與任何尺寸和葉片數的螺旋槳及改裝螺旋槳匹配。該螺旋槳適合貨船、油船、工作船甚至娛樂船。
展開 中國巨型螺旋槳問世：0噸巨葉應用領域揭曉！
巨型螺旋槳的減振、降噪和防腐等性能也得到了可靠的提升，使得其在使用過程中更加安全可靠。
巨型螺旋槳的應用領域：船舶、風力發電等領域的前景展望
船舶是全球貿易和人員交流的重要工具。在海洋航行中，巨型螺旋槳扮演著至關重要的角色。船舶巨型螺旋槳的設計和效率對船舶的速度、穩定性和操縱性等方面有著重要影響。隨著物流和國際貿易的增長，航行速度和運輸效率日益受到重視。巨型螺旋槳的優化設計和技術提升將成為船舶工程領域的關鍵研究方向。
在船舶行業中，近年來，隨著綠色環保意識的提高，涂有防污涂層的巨型螺旋槳不斷受到關注。防污涂層的使用可以減少藻類和海洋生物附著在螺旋槳上的情況，從而減小航行阻力，提高船舶的燃油效率和環保性能。為了適應更加復雜的海洋環境和巨大的船舶尺寸，螺旋槳的強度和可靠性也得到了進一步加強。
風力發電已經成為全球可再生能源領域的重要組成部分。相比傳統能源，風能具有清潔、可再生和可持續的特點。在風力發電設備中，巨型螺旋槳被用作風力發電機組的核心組件，用來轉化風能為電力。風力發電巨型螺旋槳的設計和制造技術的提升，將直接影響到風力發電的效率和可靠性。
隨著全球對可再生能源需求的增加，風力發電市場也呈現出快速增長的趨勢。根據國際可再生能源機構的數據，2019年全球新增的風力發電裝機容量超過了60GW。為了滿足這一快速增長的需求，巨型螺旋槳制造商將面臨更高的技術要求和市場競爭壓力。研發更高效、更可靠的巨型螺旋槳將成為風力發電行業發展的重要方向。
隨著風力發電項目向海上移動，深水域和復雜海洋環境成為了新的開發重點。這就需要巨型螺旋槳具備更好的適應性和可靠性。例如，浮動式風力發電設備需要更加穩定和可靠的螺旋槳設計，以應對海浪和強風的挑戰。深水域的風力發電設備需要更高效的螺旋槳設計來適應更大的直徑和更高的轉速。
展開 
船舶可以從哪些方面實現碳減排？
比如，船舶可以多使用高效螺旋槳。使用高效螺旋槳不僅可以降低油耗且不需要增加脈動壓力水平，甚至可以不改變螺旋槳主尺度。因此，設計使用高效螺旋槳可以成為實現碳減排的一個重要抓手。
又如，可對航速、航線及縱傾進行優化。對船舶的航速進行優化是指將航速作為變量，通過已經獲得的風浪和洋流等參數去建立數學模型，然后計算得出這些參數對油耗的影響系數，最后通過動態優化得到最佳節能航速曲線。目前已有根據上述理論而研發出的最佳航速控制系統，實際應用測試顯示，節能效果最多可達3％。
船舶的航線優化是指通過選擇航線克服風浪和洋流阻力來實現節能，是比較常用的節能措施之一，市場上已有公司提供航線優化系統。
展開 螺旋槳有什么作用？將偵察機的螺旋槳放在尾部，它的利弊是什么？
早期的飛機沒有合適的發動機，就只有靠高速旋轉的螺旋槳帶來動力，到了現在，渦輪發動機技術也更為成熟，大型運輸客機都是通過渦輪發動機提供動力，那為什么一些偵察機還沒有替換掉螺旋槳呢？
螺旋槳飛機
二戰時期飛機成為了最主要的戰斗武器，在戰爭發生前后都會派出飛機進行全面的搜索，發現敵人的時候，進行遠程機q掃射或投擲彈藥。那時候幾乎所有的飛機都是采用的螺旋槳提供動力，螺旋槳推動了飛機飛向天空。
二戰時候的戰斗機
螺旋槳旋轉的速度越快，那么飛行的速度也就越快，旋轉的動力變成能夠使飛機飛行的動力。在當時，想要在空中成功飛行的飛機要具備以下幾點：飛機的自重和尺寸不大、飛行速度也比較慢、飛行高度也比較低等，只有螺旋槳飛機符合全部的要求。在現代螺旋槳飛機仍然有著重要的作用。不管飛機的發動機如何改進，螺旋槳飛機都占有一席之地，現在用作飛行員訓練的初教機都是統一使用的螺旋槳飛機。
塞斯納飛機
早期飛機上的螺旋槳的槳葉角都是固定的，稱作定距螺旋槳，不過在飛行的時候很容易受到氣流的影響；而現在槳葉角的位置是可以進行調節的，也就是變距螺旋槳。但是，想要打造變距螺旋槳十分復雜，還需要花費大量成本，目前只用在一些功率大的飛機上。
螺旋槳的結構作用
飛機上的螺旋槳是由槳葉和槳轂兩個部分組成。槳葉在高速旋轉下會產生動力，需要多片槳葉和槳轂才可以組成一個完整的螺旋槳。槳葉即葉、葉尖、前緣和后緣組成。早期飛機上的螺旋槳只有少數的槳葉，而現代經過不停地改進，出現了多種槳葉的螺旋槳。
各種螺旋槳
飛機想要順利地向前飛行，就必須要有外力進行推動，而且外力還必須要大于飛機向前的阻力，同時在空中飛機移動的角度不同，就會飛向不同的方向。
展開 大型船舶螺旋槳生產技術再突破！螺旋槳關鍵工序數控加工
大型船舶的螺旋槳生產技術目前只有少數國家掌握，在相當長的時間里，是阻礙中國大型船舶發展的一個“攔路虎”。
大型船用螺旋槳一般包括輪轂、槳葉、葉根、隨邊、葉稍和導邊，超大型螺旋槳的制造涉及到鑄造技術（防止空泡產生）、機械加工技術等多項難點，特別是形狀復雜、精度要求較高的螺旋槳，要用到高端的多軸聯動機床設備。中船瓦錫蘭螺旋槳公司掌握了大型螺旋槳的制造技術并獲得突破。
今天介紹螺旋槳關鍵工序數控加工。
央視曾經報道過遼寧號航母更換螺旋槳的資料，這表明我國在大型船舶螺旋槳精密焊接、制造、安裝等一體化的系統制造技術，已經完全獲得突破。
視頻資料，建議WiFi觀看
大型船舶螺旋槳生產制造視頻
遼寧號航母的螺旋槳直徑至少在4.5米，總重也在400噸左右。這是一個考驗大國工業巨型構件技術水準的領域，從某種程度上講，我國在大型船舶建造技術領域已經獲得了質的飛躍。
中國的大型螺旋槳突破，是從鎮江中船瓦錫蘭螺旋槳公司開始的。這家公司是由中國船舶工業集團公司和芬蘭瓦西蘭集團公司共同投資組建的中外合資企業，而且是中國同行業中規模最大之一。其研發的新型七軸五聯動數控機床為國產航母螺旋槳的制造打下基礎。這家企業花了長達三年多的時間，進行技術攻關。最終，中船瓦錫蘭螺旋槳公司掌握了大型螺旋槳的制造技術。
展開 中國全球最大螺旋槳成功問世！附空氣螺旋槳理論及其應用下載
值得注意的是，中國近年來在超巨型船用螺旋槳領域中取得了技術突破，不但打破了早年間西方的技術封鎖，甚至還實現了對原有先進國家的反超。根據目前中國最大型螺旋槳的規格來看，噸位甚至超過福特級的未來國產核動力航母已不再是遙不可及的幻夢。
▲中國大型船用螺旋槳已位居世界頂尖水平
螺旋槳的本質是什么？有何特點
螺旋槳是一種常見的動力機械，其重要組成部分、槳葉會在空氣或水里按照特定規律和速度進行旋轉，常見于飛機和艦船。艦船螺旋槳包括輪轂、槳葉、葉根、隨邊、葉稍和導邊。會有兩個或多個槳葉與轂連接，而槳葉向后的一面就是其螺旋面。在圍繞軸承運轉時，螺旋槳必須要使其各剖面在升阻比較大的仰角工作，這樣才能讓拉力達到最大值，最終讓動力效率達到提升。因此，螺旋槳的槳葉角會從槳尖到根部逐漸加大，從這一點上看，螺旋槳類似可以扭轉的飛行器機翼。
▲螺旋槳是艦船動力系統的關鍵組成部分
隨著艦船技術的發展，它們使用的螺旋槳也有了自己的特點，各國技術人員在均衡加工難度、成本、靜動平衡以及推進效率后，基本確定了三葉槳和五葉槳的發展模式（也有7槳葉和11槳葉的設計）。一些追求速度的特殊推進器一般采用三葉槳，而五葉槳則一般都用于大型艦船，例如美國尼米茲級航母的四個螺旋槳都各有五片槳葉。一般而言，槳葉越少，轉速就越高，此外螺旋槳本身直徑越大，拉力也就越大，這對于巨型艦船而言至關重要。
艦船的螺旋槳位于水線以下，因此它不但要克服水體阻力，而且還要具有很高的抗腐蝕性。隨著技術的發展，螺旋槳的制作材料也有了明顯變化。早年間的船用螺旋槳的主要材料是銅合金，當艦船噸位和動力得到迅速提升后，不銹鋼則逐步取代了銅合金，而馬氏體不銹鋼更是在今天得到了廣泛應用。
展開 案例分享 | 利用螺旋槳MSC Cradle和無限葉片數螺旋槳理論進行方向舵干涉時的性能仿真研究
螺旋槳與方向舵的干涉
利用CFD仿真進行船舶推進性能預測時，考慮船體與螺旋槳，方向舵的相互干涉是要點。用實際形狀的螺旋槳旋轉來進行考察雖然可行，但是計算負荷成為障礙。本研究中，基于計算負荷低，且已經有實際應用案例的無限葉片數螺旋槳理論[1,2,3]，在MSC Cradle上配置了簡易螺旋槳模型，在螺旋槳敞水性能分析的基礎上進一步實施了方向舵的干涉仿真并與實驗結果作了比較驗證。
[1] Kuniharu Nakatake. 1967. Report of the West-Japan Society of Naval Architects, 34th volume: p25-36
[2] Fumio Moriyama.1979. Report of the Japan Ship Technology Research Association. 16th volume, 6th issue: p361-376
[3] Takero Tamada, Jun Ando. 2015.
展開 DNV GL的散貨船優化
Diamond 2接受了減阻和尾部推進性能的整套優化，以達到優化后的扭曲的尾部線型和高效的設計螺旋槳。通常情況下，CAESES在這個過程中被用于自動生成船體幾何模型，在CAESES中，所有必要的數據，例如約束值和大量用于魯棒分析的輸出，例如用于FS-Flow中網格生成的參數化曲面和用于基于OpenFOAM的RANS求解器的STL網格都可以被獲得。這是一種非常強大和高效的設計程序，可以快速找到最優的候選設計。
Baseline design of the bulker carrie
Final optimized design
具有前景的性能預報
該散貨船的優化目標是基于典型的海上航行時間權重條件下五種吃水/航速組合的功率消耗。鑒于高興波阻力船舶優化結果往往是兩位數的，那么對于散貨船優化而言，目標結果5%的提升無疑是巨大的成功。該散貨船船模試驗是在SVA水池進行的（使用對稱船尾），并與四艘匿名的相似船舶進行對比，不同設計吃水條件下對比結果見下圖：
Comparison of the optimized Diamond 2 carrier propulsion power coefficient with four other similar vessels
最終結果
最終船體優化采用的是不對稱船尾取代附體。仿真結果顯示，功率消耗又降低了2.6％。高效螺旋槳，舵和消渦的球鼻艏使得推進系統得以完整。
展開 螺旋槳建模
在samcef環境下，首先分別對葉片及輪轂進行幾何建模，并單獨進行屬性定義及網格劃分，然后分別將他們的sfield文件導入到新項目中進行裝配。
操作視頻：http://pan.baidu.com/s/1o6DTjn0
操作文檔及練習文件：http://pan.baidu.com/s/1eQzqT3O
CFX船舶螺旋槳流動模擬 ￥10
船舶需要推力才能前進，這可以通過船體后面旋轉的螺旋槳產生。傳統上通過模型試驗來預測螺旋槳的推力和扭矩，這種方法耗時、需要人力和空間且成本高昂。或者，流動模擬可用于流體動力學設計，因為它相對節省時間、人力和空間。在這個項目案例中，CFX模擬了船舶螺旋槳周圍的流動。
案例文件如下
飛機的螺旋槳是怎樣產生拉力的呢？
早期飛機大多使用槳葉角固定不變的螺旋槳，它的結構簡單，但不能適應飛行速度變化。現代的螺旋槳飛機多采用槳葉角可調的變距螺旋槳，這種螺旋槳可根據飛行需要調整槳葉角，提高螺旋槳的工作效率。
由于螺旋槳在旋轉時，槳根和槳尖的圓周速度不同，為了保持槳葉各部分都處于最佳氣動力狀態，所以把槳根的槳葉角設計成最大，依次遞減，槳尖的槳葉角最小。工作狀態的槳葉是一根懸壁梁受力態勢，為了增加槳根的強度，槳根的截面積設計為最大。一架飛機上槳葉數目根據發動機的功率而定，有2葉、3葉和4葉的，也有5葉、6葉的。
裝于飛機頭部的螺旋槳為拉力式螺旋槳，裝于飛機后部的螺旋槳為推力式螺旋槳，還有既裝有拉力式螺旋槳又裝有推力式螺旋槳的飛機。
第二次世界大戰以前的飛機，基本上是使用活塞式發動機作動力裝置驅動螺旋槳。近代在渦輪噴氣發動機的基礎上研制出了渦輪螺旋槳發動機和渦輪槳扇發動機。用這兩種發動機驅動螺旋槳使螺旋槳的工作效率大大提高，同時也提高了飛機的性能。
螺旋槳飛機最大飛行速度在700千米/小時左右，如果飛行速度再提高，飛行中產生的激波阻力是螺旋槳飛機無法克服的。
文章來源：紅星云無人機科技
展開 螺旋槳數值模擬方法
從實際操作上來講，螺旋槳的直接數值模擬方法可以分為三種：
Moving Reference Frames (MRF)
Rigid Body Motion (RBM)
Overset Mesh (OM)
MRF為運動參考系法，顧名思義，該方法通過引入相對運動參考系來處理槳的旋轉問題，將復雜的問題進行簡化，是一種穩定性好、易于收斂的穩態方法。
RBM為剛體運動法，也稱之為滑移網格法，該方法通過網格的旋轉來模擬槳的真實運動，在旋轉域和外部靜止域之間通過交界面進行流場信息傳遞，是一種瞬態方法。
OM為重疊網格法，也稱之為嵌套網格法，最近幾年應用的越來越廣泛和成熟。與RBM法類似，該方法也是一種瞬態方法，只是處理交界面的方式有所不同。
對比以上三種方法，各有其優缺點：
MRF方法是一種穩態方法，因此具有設置簡單、計算快速、易于收斂等優點，在計算螺旋槳的敞水曲線時一般采用該方法，計算精度滿足要求，資源耗費較少，性價比高。
RBM方法是一種瞬態方法，相對于MRF，不僅能夠求得敞水曲線，還能夠得到流場的更多信息，比如壓力脈動、流場演變等，但是計算時間較長，對硬件的要求也更高。
OM方法與RBM方法類似，得益于重疊網格在處理諸如極限、交叉、耦合等運動方面的優勢，該方法在處理船-槳-舵耦合運動及干擾、自航模、操縱性模擬等方面應用更為廣泛。
從網格生成的角度來看，MRF方法和RBM方法可以共用一套網格，二者處理計算域、交界面的方式完全相同，因此本次推送主要介紹這兩種方法，OM方法因為網格需要單獨生成，因此放在下次推送中進行介紹。
下面以KP505槳模為案例，對螺旋槳模擬的主要步驟進行介紹。
展開 samcef螺旋槳傳動建模
在之前的建模案例中，已經針對梁單元的長軸及螺旋槳進行了建模和零界狀態分析，形成了含有有限元網格的模型。在本案例中，將會把之前的模型作為次級模型導入，并通過置位，裝配形成一個完整的帶有傳動軸的螺旋槳推動器。通過隱式非線性求解運算，獲得2s內的模型瞬態響應。
通過本案例，可以了解到：
（1）
如何將已有各個次級模型導入形成整體模型；
（2）
如何重新調整次級模型的位置，包括幾何模型及網格；
（3）
如何更改原有約束并重新設置；
（4）
如何進行隱式非線性求解；
視頻：優酷視頻：http://v.youku.com/v_show/id_XOTQ4NzE2NjAw.html
百度網盤：http://pan.baidu.com/s/1c0CnKR2
前期部件分析準備：http://forums.caenet.cn/showtopic.aspx?topicid=623928&typeid=116
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